X-cor夹层结构压缩性能研究

X-cor结构是一种采用拉挤复合材料细杆（Pin）以三维网架结构形式增强泡沫的新型夹层结构材料,该夹层结构与传统泡沫夹层结构和蜂窝夹层结构相比,具有很高的比强度和比刚度。为了研究Pin植入角、Pin直径对X-cor夹层结构压缩强度和压缩模量的影响,压缩性能试样采用Rohacell 31泡沫作为芯材,Pin采用0.5 mm和0.7 mm两种不同直径的T300/FW 63碳/环氧拉挤细杆,并将实验结果与不含Pin增强的泡沫夹层结构进行了对比。研究结果表明,Pin的存在极大提高了X-cor夹层结构的压缩强度、压缩模量,同时密度仅小幅度提升;Pin对X-cor夹层结构压缩性能的增强效率随Pin植入角的减小而提高,采用小直径的Pin更利于提高X-cor夹层结构压缩性能。     

X-cor夹层结构低速冲击实验和数值模拟研究

X-cor泡沫夹层结构是一种通过Z-pin技术增强泡沫夹芯的新型高性能夹层结构。在低速冲击下,X-cor夹层结构损伤失效机制复杂,通过在不同能量阶段对X-cor夹层结构失效行为进行分析,讨论Z-pin植入体积分数和泡沫芯材密度对失效行为的影响。低速冲击试样规格为Z-pin直径0.5 mm、植入角度为22°,分别改变泡沫类型和Zpin植入体积分数进行实验,结果表明:6 J冲击能量下,冲击能量主要由面板分层承担,相对于未植入Z-pin试样,随着Z-pin植入体积分数的升高,面板分层面积最多减少了45.1%,而泡沫密度对分层面积影响不大;12 J冲击能量下,部分Z-pin发生失效,通过剩余压缩强度比发现,随着Z-pin植入体积分数的增加,剩余压缩强度比先增大后减小,植入体积分数为0.42%时最高,而此时泡沫密度增加,剩余压缩强度比也随之增加;当能量到达18 J时,芯材开始出现剪切裂纹,同时吸收大部分能量,较弱的芯材剩余压缩强度比大,而Z-pin植入体积分数越大,剩余压缩强度比反而越小。采用数值模拟的方法建立低速冲击模型,并将冲击后的结果直接传递应用于剩余压缩强度模型中,得到的结果比实验值偏高25%~29%。     

X-Cor 夹层结构压缩强度有限元分析

利用有限元软件获得了X-Cor夹层结构的应力场,并对其压缩强度进行分析。提出了适合于X-Cor夹层结构失效机理分析的失效判据和材料刚度退化规则,明确其失效过程和模式。根据失效判据,采用有限元模型中发生刚度退化的单元及其分布模拟失效的类型及扩展路径,说明X-Cor夹层结构在压缩载荷下的失效机理。有限元研究表明:压缩过程中,树脂区首先失效,其次是Z-pin,主要的失效模式是Z-pin屈曲失效,失效单元的扩展路径有一定的分散性。通过有限元分析结果与试验值的比较,数值吻合较好,计算误差为-7.6%～9.5%。     

X-cor夹层结构试制与性能研究

以航空应用为背景,研究了新型X-cor夹层结构的成形工艺及力学性能。完成了Z-pin的研制、夹层结构成形和力学性能试验。研究结果表明：与不含Z-pin的泡沫夹层结构相比,X-cor夹层结构的刚度性能有很大的提高。     

X-cor夹层结构的剪切性能

通过X-cor夹层结构与相同材料同尺寸的未增强件和去除泡沫的Z-pin夹层结构进行剪切性能试验对比,考察Z-pin对泡沫夹层结构的增强效果.通过剪切刚度和剪切强度试验值和理论值的对比分析研究,得到了修正后的夹层结构剪切刚度和剪切强度理论计算公式.研究结果表明:夹层结构的剪切性能与剪切刚度折减系数M、表征加载过程中Z-pin开始从面板拔出的时间系数T有关,而系数M,T决定于工艺水平.      

X-cor夹层复合材料平压性能分析

 X-cor夹层复合材料是一种采用X形Z-pin增强的新型泡沫夹层结构,在航空航天领域有着广阔的应用前景。本文对其平压模量和强度进行了理论预测和实验验证。通过分析其三维单胞力学模型,得到了X-cor夹层复合材料等效平压模量的解析式。采用Winkler弹性地基梁理论解释了泡沫芯材与Z-pin的协同增强效应,并导出了X-cor平压强度的预测公式。以碳纤维/环氧树脂制备的Z-pin分别植入PU,PMI泡沫制得X-cor夹层复合材料,通过力学实验考察了Z-pin参数以及泡沫性能等对X-cor夹层结构平压性能的影响,对理论分析进行了验证。结果证明增大Z-pin的植入角度、体积分数、直径、端部约束或采用高性能泡沫芯材均能提高X-cor平压性能,但增大长度,Z-pin容易失稳,平压强度降低。     

工艺参数对X-cor泡沫夹层结构剪切刚度的影响分析

研究植入工艺参数和材料性能对X-cor夹层结构剪切刚度的影响。通过对pin端部所受约束的细节分析,得到端部约束的三个等效弹簧系数表达式,用于X-cor夹层结构剪切刚度模型计算,并考察pin植入角度、端部斜切角、植入端深度、直径、材料性能和泡沫材料性能等参数对剪切刚度的影响规律。计算结果与试验结果吻合较好,该方法可用于预测X-cor夹层结构剪切刚度。参数分析结果表明,通过增大pin植入角度、pin轴向刚度以及pin直径可显著提高X-cor夹层结构的剪切刚度;pin端部斜切角和植入端深度是次要影响因素;另外,当选用的泡沫材料较刚硬时,不能忽略泡沫材料对结构剪切刚度的贡献。     

X-cor增强泡沫夹层结构力学性能试验

 研究了碳纤维X-cor销钉增强泡沫夹层结构的常规力学性能。自行设计工艺,制造了X-cor增强泡沫夹层结构复合材料,并进行了多种材料/几何参数下的平压、三点弯曲和芯子剪切试验,得到了系列试验数据,并观察记录了较全面的结构破坏模式;倾斜的X-cor销钉对夹层结构性能的增强效果大大优于垂直销钉的增强效果,倾斜X-cor增强泡沫夹层结构的抗弯刚度和破坏载荷大幅提高;X-cor增强泡沫夹层结构在弯曲载荷下具有较强的二次承载能力;X-cor增强泡沫夹层结构在弯曲和剪切载荷下均呈现明显的渐进失效过程,在初始裂纹出现后,直到最终破坏发生还有较长的损伤扩展过程,这一过程是增强相限制芯材裂纹大规模扩展的结果,表明X-cor增强泡沫夹层结构在初始裂纹出现后还具有较强的持续承载能力。     

X-cor夹层结构的平拉性能

研究了Pin植入角、Pin直径和Pin材料对X-cor夹层结构平拉强度及平拉模量的影响。平拉性能试样采用Rohacell 31泡沫作为芯材,Pin采用不同直径的T300/FW-63和SC-240/FW-63拉挤细杆。结果表明,X-cor夹层结构平拉强度增强效率随着植入角度的增加先增大、后减小,平拉模量的增强效率则随植入角的增加而减小;随Pin直径减小,平拉强度增强效率增加,平拉模量增强效率降低;不同Pin材料对X-cor夹层结构平拉强度增强效率相同,高模量的Pin对X-cor夹层结构平拉模量的增强效率更高。     

Z-pin增强泡沫夹层结构面压缩性能研究

Z-pin增强泡沫夹层结构作为一种新兴的复合材料夹层结构形式,能够克服传统蜂窝夹层结构的诸多缺陷。采用预浸碳纤维增强Rohacell夹芯,进行Z-pin角度为15°和25°,夹芯厚度分别为12.7mm和8mm两种Z-pin增强泡沫夹层结构的面内压缩性能试验,并与相同批次和尺寸的未增强件进行对比,考察其对传统泡沫夹层结构的增强作用。试验发现X状Z-pin增强能够大幅度提高夹层结构的压缩强度与刚度。同时,增强材料表现出与传统泡沫夹层结构不同的压缩变形与破坏模式。证实Z-pin的弹性屈曲控制着结构的压缩强度,夹芯厚度和Z-pin角度影响Z-pin屈曲的计算长度,从而成为材料压缩强度的控制因数。在此基础上,考虑面板对Z-pin的有限转动约束,通过引进约束修正系数改进现有的压缩强度预测模型,预测值与试验结果更加接近。     

X-Cor夹层结构的平压模量试验与分析

通过分析X-Cor夹层结构平压模量预测公式的理论计算结果与试验值误差,提出了结构屈曲和Z-pin的长度差异引起的刚度折减的修正模型,并且详细分析X-Cor夹层结构刚度折减的机理;修正后的夹层结构平压模量的理论值与试验值吻合.新的预测公式为X-Cor夹层结构的设计提供依据,进而为X-Cor夹层结构新材料在工程领域的应用奠定了基础.      

低速冲击对K-cor夹层结构力学性能的影响

K-cor夹层结构是应用Z-pin技术增强的一种新型高性能夹层结构,本文基于落锤冲击实验对低速冲击下K-cor夹层结构的力学性能进行了研究,结合红外无损检测和冲击后压缩强度（CAI）试验,对不同Z-pin植入参数和芯材厚度对K-cor试样的冲击损伤阻抗进行了深入研究。研究结果表明：K-cor夹层结构的芯材越厚,则其冲击损伤面积越大,但剩余压缩强度比越高;在不超过植入间距的前提下,增加Z-pin的折弯长度能显著的降低K-cor结构冲击后的损伤面积,提高压缩强度;在相同芯材密度的情况下,提高Z-pin的折弯长度比增大植入密度更有利于减少K-cor试样冲击后的损伤面积,提高试样的压缩强度和其剩余压缩强度比。     

湿热环境下K-cor夹层复合材料的力学性能

K-cor夹层结构是应用Z-pin技术增强的一种新型高性能夹层结构,本文研究了Z-pin不同植入密度对K-cor夹层结构试样吸湿特性的影响规律,在此基础上对不同Z-pin植入参数对试样湿热前后三点弯曲性能和压缩性能的影响规律进行了深入研究。研究结果表明：夹层结构中Z-pin的植入能提高试样的尺寸稳定性,且不会对其吸湿率造成明显影响;Z-pin植入密度的增加能明显提高湿热前后试样三点弯曲强度和压缩强度,且具有较高的强度保持率,Z-pin密度为12 mm×12 mm的K-cor夹层结构湿热处理试样的三点弯曲强度比未湿热处理空白试样的要高11.1%,8 mm×8 mm湿热处理K-cor试样的芯部压缩强度比未湿热处理空白夹层结构试样要高17.5%,体现出K-cor夹层结构优异的抗湿热性能;而Z-pin植入角度的减小能明显提高试样湿热处理前后的压缩强度,0°植入K-cor试样湿热处理后的芯部压缩强度与40°植入K-cor试样未湿热处理的基本相同,但植入角度对三点弯曲强度影响较小。     

T300/BMP316层合板冲击后压缩强度试验

对两种不同铺层参数的T300/BMP316复合材料层合板进行了冲击后的剩余压缩强度试验研究.结果表明,虽然随着冲击能量的增加,层合板的剩余压缩强度逐渐降低,但二者之间不满足线性关系;不同铺层参数对层合板冲击损伤投影图形的长轴方向有一定的影响,但对冲击损伤投影面积大小几乎没有影响;层合板的剩余压缩强度与冲击损伤投影面积的大小没有直接关系.      

减涡器破裂转速预测方法及试验验证

采用数值分析同试验相结合的方法研究了减涡器破裂转速问题。根据减涡器支撑环孔边的应力状态,设计了支撑环结构的模拟试验件,开展了单调拉伸载荷下的破坏试验,得到了体现结构应力特征的破坏参数。进而基于有限元方法,将模拟试验件的破坏参数引入减涡器支撑环破裂转速预测中,并对比了不同破裂准则对破裂转速预测结果的影响。分析表明:所设计的模拟试验件与减涡器支撑环的应力梯度吻合较好,可准确描述结构应力特征;局部塑性法和基于材料强度的方法预测破裂转速时结果更为保守,分别比平均应力法的预测值低15%和23%,对此类结构的破裂分析具有工程参考价值。      

C/C复合材料的压缩强度分布与可靠性评估

针对碳/碳（C/C）复合材料力学性能离散的特点,开展穿刺C/C复合材料压缩强度分布与可靠性评估研究。首先通过残差分析确定用于强度分布分析的样本数量,然后通过线性回归分析获得两参数Weibull分布、正态分布及对数正态分布模型的参数,进而探究穿刺C/C复合材料的压缩强度分布规律,最后通过Kolmogorov-Smirnov检验、Anderson-Darling检验和极大似然方法对3种强度分布模型进行拟合优度检验。结果表明：用于获得穿刺C/C复合材料压缩强度分布的最少样本数量应不少于30;Weibull分布、正态分布和对数正态分布模型均可表征穿刺C/C复合材料的压缩强度分布,其中Weibull分布的拟合优度最高;基于强度分布模型可得到不同可靠度所对应的穿刺C/C复合材料的设计强度参考值。